ROTORES DE TORNILLOS GEMELOS Y MÁQUINAS DE DESPLAZAMIENTO VOLUMÉTRICO QUE LOS CONTIENEN.

Rotores de tornillos gemelos para su instalación axialmente paralela en máquinas de desplazamiento volumétrico para medios compresibles,

con perfiles transversales asimétricos, con un centro de gravedad excéntrico y un número de arrollamientos ≥q 2, así como un paso (L) que varía según el ángulo de arrollamiento (α), creciente en una primera zona parcial (T1) desde el área de succión del extremo del tornillo, alcanzando un valor máximo (Lmax) para α = 0 después de completar un arrollamiento, luego decreciente en una segunda zona parcial (T2) hasta un valor mínimo (Lmin) y permaneciendo constante en una tercera zona parcial (T3), caracterizados porque se logra el equilibrio estático y dinámico a través del cálculo ponderado del ángulo de arrollamiento total (α), trazado del paso (h(α)) definido y relación entre paso máximo (Lmax) y paso mínimo (Lmin) de acuerdo con las siguientes simetrías: o porque se logra el equilibrio estático y dinámico de al menos el 80%, el cual es suplementado mediante cambios de la geometría en la región de los extremos de los tornillos, gracias a una sensible reducción de los flancos en forma de espiral de los tornillos, que devienen en aristas agudas, en coordinación con la ampliación del ángulo de arrollamiento (μ) en ambos lados y del paso (L)

Rotores de tornillos gemelos y máquinas de desplazamiento volumétrico que los contienen.

La invención se refiere a rotores de tornillos gemelos para su instalación con ejes paralelos en máquinas de desplazamiento volumétrico para medios compresibles, con perfiles transversales asimétricos, con centro de gravedad en posición excéntrica, así como un número de arrollamientos ≥q2 y un paso variable dependiendo del ángulo de arrollamiento (α), cuyo paso crece en una primera zona desde el área de succión del extremo del tornillo, alcanza un valor máximo para α=0 después de un arrollamiento, decrece en una segunda zona hasta un valor mínimo, y es constante en una tercera zona.

Por las publicaciones SE 85331, DE 2434782, DE 2434784 son conocidas máquinas de eje interno, tipo tornillo, con paso no constante de los elementos de tornillo o perfiles transversales variables. El rotor interno parcialmente mono-fileteado está equilibrado con la ayuda de contrapesos. El gasto de construcción necesario para ello es elevado y el montaje lento. Un inconveniente general adicional, en comparación con las máquinas de eje externo, es el sellado del área de succión, que no puede ser eliminado.

Además, en los documentos de patente DE 2934065, DE 2944714, DE 3332707 y AU 261792 se describen compresores de doble árbol con rotores tipo tornillo en los que los rotores y/o caja están hechos de secciones en disco de diferente grosor y/o contorno dispuestas axialmente una tras otra, y así producir una compresión interna. Dado que aparecen cámaras defectuosas y zonas turbulentas a causa de la construcción escalonada, resulta una eficiencia reducida en comparación con los rotores de tornillo. Adicionalmente, son de esperar problemas relativos a la conservación de la forma durante el calentamiento derivado del funcionamiento.

En varias publicaciones se representan compresores de tipo tornillo con engranaje externo de los rotores de tornillo girando en direcciones opuestas:

DE 594691 describe un compresor tipo tornillo con dos rotores de engranaje externo girando en direcciones opuestas con paso y profundidad de fileteado variables, así como variación del diámetro. El perfil se representa como mono-fileteado con forma trapezoidal en la sección axial. Sin embargo están ausentes indicaciones sobre el equilibra- do.

DE 609405 describe parejas de elementos de tornillo con paso y profundidad de fileteado variables para el funcionamiento de compresores y descompresores en máquinas de refrigeración de aire. No se indica un perfil transversal especial, sugiriendo la impresión óptica una sección axial de mono-fileteado trapezoidal. No hay indicación de equilibrado aunque el funcionamiento se supone sea a altas velocidades de giro.

DE 87 685 describe rotores de tornillo con paso creciente. Se destinan a su instalación en máquinas para expandir gases o vapores. Están diseñados como elementos de tornillo mono- o multi-fileteados, no habiendo indicación sobre el equilibrado.

DE 4 445958 describe un compresor tipo tornillo con engranaje externo de elementos de tornillo girando en oposición, "que devienen continuamente menores desde un extremo axial hasta un segundo extremo axial distante...". Son utilizados en bombas de vacío, motores o turbinas de gas. El perfil se representa como un perfil rectangular; alternativamente se propone una realización con un fileteado trapezoidal. Aquí tampoco hay indicación sobre el equili- brado.

EP 0697523 describe un tipo de compresor con rotores de tornillo multi-fileteados con perfiles de engranaje externo, y cambios de paso continuos. Los perfiles de punto simétrico (perfiles S.R.M.) proporcionan directamente un equilibrado estático y dinámico.

En EP 1070848 se representan elementos de perfil en forma de tornillo con paso variable en un diseño de dos-fileteados "... para poder ser mejor equilibrados...". La indicación sobre una geometría especial del perfil está ausente; el dibujo muestra en sección axial un perfil rectangular simétrico.

En algunos de los documentos previamente conocidos del anterior estado de la técnica, los diámetros externos varían, lo que conduce a problemas durante la fabricación y montaje. En común para todas las soluciones propuestas en las publicaciones mencionadas, están las altas pérdidas por fugas a través del uso de perfiles desfavorables: no es posible una secuencia axial de celdas funcionales bien selladas con tales perfiles; no es posible una buena compresión interna para velocidades rotacionales bajas o medias (el orificio de soplado "blasloch" conduce a pérdidas de vacío y reducciones con respecto a la eficiencia).

Perfiles con buen cierre se describen en las publicaciones GB 527339 (doble fileteado, asimétrico), GB 112104, GB 670395, EP 0736667, EP 0866918 (mono-fileteado).

De acuerdo con las dos publicaciones siguientes, se utilizan perfiles mono-fileteados con un buen cierre. Sus pasos varían, pero los diámetros externos se mantienen constantes:

DE 19530662 describe una bomba de succión tipo tornillo con engranaje externo de los elementos de tornillo, "con lo cual el paso de los elementos de tornillo decrece continuamente desde su extremo de entrada hasta su extremo de salida para lograr la compresión de los gases a ser expelidos". La forma de los dientes de los rotores de tornillo presenta una curva epitrocoidal y/o arquimediana.

El inconveniente de los rotores de este tipo es que la compresión interna alcanzable es mediocre.

En WO 00/25004 se proponen rotores de tornillos gemelos, cuyo trazado del paso no es monótono, sino que primero crece, luego decrece, y finalmente permanece igual. El perfil transversal es mono-fileteado y asimétrico y presenta un flanco cóncavo. El diámetro externo es constante, siendo posible una variación de perfil.

En ninguna de las dos publicaciones antes mencionadas el problema del equilibrado es abordado.

En WO 00/47897 se describen elementos gemelos de tornillos de desplazamiento multi-fileteados con perfiles transversales asimétricos iguales, cada uno con un flanco hueco cicloidal, siendo posible variar alternativamente el paso o el paso y el perfil transversal a lo largo del eje y "... lográndose la correspondencia del centro de gravedad del perfil y el punto de rotación a través del respectivo diseño de las curvas de delimitación individual del perfil transversal". (= equilibrado). En el interior del tornillo (en las regiones de los dientes) están previstos canales con forma de tornillo que están destinados a ser recorridos por un medio de refrigeración.

Una limitación de fabricación es la relación profundidad de fileteado/altura de fileteado, limitada a valores c/d<4, que conduce a una restricción de los índices de compresión alcanzables o a una ampliación del espacio de construcción. El problema se intensifica con el incremento del número de fileteados. Además, el coste de fabricación crece con el aumento del número de fileteados, de forma que en principio serían deseables rotores mono-fileteados siempre que el problema de equilibrado pueda entonces resolverse satisfactoriamente y siempre que los rotores multi-fileteados no sean en conjunto más ventajosos o necesarios por otras razones (por ejemplo refrigeración del rotor).

En los documentos JP 62291486, WO 97/21925, pertenecientes al estado de la técnica más próximo, y WO 98/11351 se describen métodos para el equilibrado de rotores mono-fileteados, suponiendo los pasos como constantes. Con medidas modificadas, pueden utilizarse métodos similares para el equilibrado de rotores con paso variable, sin embargo con una limitación muy severa de la geometría permisible, ya que un equilibrado en espacios huecos origina problemas adicionales de moldeado, que devienen mayores a causa de la distribución de masas asimétrica como una condición de la variación de paso.

Por lo tanto, el objeto de la presente invención es proponer soluciones técnicas para el equilibrado de rotores de tornillo con paso variable y posición excéntrica del centro de gravedad del perfil transversal, para lo cual deben cumplirse los siguientes requisitos:

- Relación profundidad de fileteado/altura de fileteado c/d < 4 (fabricación)

- Construcción de corta longitud (rigidez, tamaño de construcción)

- 7 > número de arrollamientos ≥q 2 (fabricación extremo de vacío)

- Eficiencia volumétrica: la mayor posible (tamaño de construcción)

1. Rotores de tornillos gemelos para su instalación axialmente paralela en máquinas de desplazamiento volumétrico para medios compresibles,

con perfiles transversales asimétricos, con un centro de gravedad excéntrico y un número de arrollamientos ≥q 2, así como

un paso (L) que varía según el ángulo de arrollamiento (α), creciente en una primera zona parcial (T₁) desde el área de succión del extremo del tornillo, alcanzando un valor máximo (L_max) para α = 0 después de completar un arrollamiento, luego decreciente en una segunda zona parcial (T₂) hasta un valor mínimo (L_min) y permaneciendo constante en una tercera zona parcial (T₃),

caracterizados porque se logra el equilibrio estático y dinámico a través del cálculo ponderado del ángulo de arrollamiento total (α), trazado del paso (h(α)) definido y relación entre paso máximo (L_max) y paso mínimo (L_min) de acuerdo con las siguientes simetrías:

o porque se logra el equilibrio estático y dinámico de al menos el 80%, el cual es suplementado mediante cambios de la geometría en la región de los extremos de los tornillos, gracias a una sensible reducción de los flancos en forma de espiral de los tornillos, que devienen en aristas agudas, en coordinación con la ampliación del ángulo de arrollamiento (μ) en ambos lados y del paso (L).

2. Rotores de tornillos gemelos según la reivindicación 1, caracterizados porque la relación entre paso máximo y paso mínimo y el trazado del paso están especificados de forma que la tasa de compresión de la máquina de desplazamiento volumétrico para medios compresibles, en la que los rotores gemelos están instalados, alcanza un valor deseado en un intervalo de 1,0 a 10,0.

3. Rotores de tornillos gemelos según la reivindicación 1 ó 2, caracterizados porque el paso máximo, el paso mínimo y el trazado del paso están especificados de forma que la capacidad de succión de la máquina de desplazamiento volumétrico para medios compresibles, en la cual los rotores gemelos están instalados, se corresponde con el valor deseado.

4. Rotores de tornillos gemelos según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizados porque la longitud del rotor está determinada por el número de arrollamientos y por el paso máximo y mínimo.

5. Rotores de tornillos gemelos según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizados porque el cambio de paso en las transiciones de zona para α = -360º, 0ª, +j 360º = es "cero".

6. Rotores de tornillos gemelos según la reivindicación 1, caracterizados porque los trazados del paso en las dos primeras zonas parciales (T₁, T₂) están diseñados para ser imágenes especulares entre sí y porque el ángulo de arrollamiento de la tercera zona parcial (T₃) es igual a "cero", en los cuales el equilibrio estático y dinámico se logra mediante las características de simetría del trazado del paso definidas anteriormente, mediante la determinación de la relación entre paso máximo y paso mínimo y el trazado del paso definido, y mediante cambio de la geometría en la región de los extremos de los tornillos.

7. Rotores de tornillos gemelos según la reivindicación 1, caracterizados porque los trazados del paso en las dos primeras zonas parciales (T₁, T₂) están diseñados para ser imágenes especulares entre sí y porque el trazado del paso en cada una de las dos zonas parciales (T₁, T₂) pasa en forma de punto simétrico a través del valor medio aritmético (L₀) entre el paso máximo y el paso mínimo, en particular a través de S₁ para α = -180º y S₂ para α = +180º, y porque la tercera zona parcial (T₃) se extiende sobre un ángulo de arrollamiento de múltiplos enteros de 360º, mediante lo cual se logra el equilibrio estático con las características de simetría del trazado del paso definidas anteriormente y la determinación del ángulo de arrollamiento total, y se logra el equilibrio dinámico con las características de simetría del trazado del paso definidas anteriormente y la determinación del ángulo de arrollamiento total junto con la relación entre paso máximo y paso mínimo y el trazado del paso definido.

8. Rotores de tornillos gemelos según la reivindicación 1, caracterizados porque los trazados del paso en las dos primeras zonas parciales (T₁, T₂) están diseñados para ser imágenes especulares entre sí y porque el trazado del paso en cada una de las dos zonas parciales (T₁, T₂) pasa en forma de punto simétrico a través del valor medio aritmético (L₀) entre el paso máximo y el paso mínimo, en particular a través de S₁ para α = -180º y S₂ para α = +180º, y porque la tercera zona parcial (T₃) se extiende sobre un ángulo de arrollamiento de múltiplos enteros de 360º, mediante lo cual se logra el equilibrio estático con las características de simetría del trazado del paso definidas anteriormente y la determinación del ángulo de arrollamiento total, y mediante cambio de la geometría en la región de los extremos de los tornillos, y el equilibrio dinámico se logra con las características de simetría del trazado del paso definidas anteriormente y la determinación del ángulo de arrollamiento total junto con la relación entre paso máximo y paso mínimo y el trazado del paso definido, y mediante cambio de la geometría en la región de los extremos de los tornillos.

9. Rotores de tornillos gemelos según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizados porque el perfil transversal es constante.

10. Rotores de tornillos gemelos según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizados porque el perfil transversal es variable en función del ángulo de arrollamiento (α).

11. Rotores de tornillos gemelos según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizados porque el perfil transversal está mono-fileteado.

12. Rotores de tornillos gemelos según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizados porque el perfil transversal está multi-fileteado.

13. Máquina de desplazamiento volumétrico para medios compresibles que comprende una caja, una entrada y la salida para la admisión y/o descarga del medio compresible, y una pareja de rotores de tornillos gemelos en relación de engranaje que están en su mayor parte libres de desequilibrio, los cuales junto con la caja definen una cámara secuencial axial, en la cual están montados los rotores en la caja de forma que pueden girar, y que incluye un accionamiento y un dispositivo de sincronización para hacer girar los rotores en direcciones opuestas, de modo que el medio compresible en la entrada es transportado hasta la salida, caracterizada porque rotores de tornillos gemelos según una de las reivindicaciones 1 a 12 están instalados y en su mayor parte están libres de desequilibrio.

14. Máquina de desplazamiento volumétrico según la reivindicación 13, caracterizada porque está diseñada como una bomba de vacío.